變流量空調(diào)水系統(tǒng)水泵變頻控制及能耗分析

曾偉

奧意建筑工程設(shè)計(jì)有限公司

0 引言

建筑物空調(diào)負(fù)荷隨季節(jié)和時(shí)間的不同而變化，空調(diào)系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí)，冷水主機(jī)容量、管網(wǎng)及循環(huán)水泵等設(shè)備一般按各項(xiàng)逐時(shí)逐項(xiàng)冷負(fù)荷的綜合最大值設(shè)置[1]。據(jù)相關(guān)資料顯示，空調(diào)系統(tǒng)一年中絕大部分時(shí)間是在40%～80%負(fù)荷范圍內(nèi)運(yùn)行，滿負(fù)荷運(yùn)行的時(shí)間非常少[2]。冷凍水循環(huán)泵作為空調(diào)系統(tǒng)冷水輸送的核心環(huán)節(jié)，其運(yùn)行能耗約占空調(diào)系統(tǒng)總能耗的15%～20%[3]。因此，研究循環(huán)水泵的運(yùn)行控制策略，對(duì)空調(diào)系統(tǒng)的節(jié)能具有重要意義。

變流量空調(diào)水系統(tǒng)是相對(duì)于定流量空調(diào)水系統(tǒng)而言，變流量空調(diào)水系統(tǒng)分為兩種不同的形式：一種為空調(diào)末端設(shè)備變流量，主機(jī)定流量運(yùn)行，循環(huán)水泵工頻運(yùn)行。第二種為空調(diào)末端設(shè)備及主機(jī)均變流量運(yùn)行，循環(huán)水泵變頻運(yùn)行。本文討論的變流量為第二種，根據(jù)末端空調(diào)負(fù)荷的變化，調(diào)節(jié)冷凍水循環(huán)水泵的運(yùn)行頻率，達(dá)到節(jié)約水泵運(yùn)行能耗的目的。變流量空調(diào)水統(tǒng)相對(duì)定流量空調(diào)系統(tǒng)，控制較復(fù)雜，但節(jié)能效果明顯。循環(huán)水泵的控制策略的合理性，直接影響到水系統(tǒng)的穩(wěn)定性及水泵的運(yùn)行能耗。

1 變流量空調(diào)系統(tǒng)水泵變頻控制策略

1.1 定溫差控制策略

定溫差控制策略是指以系統(tǒng)供回水溫差作為循環(huán)水泵變頻控制的反饋信號(hào)，通過(guò)控制水泵的運(yùn)行頻率來(lái)維持供回水干管上的溫差為定值。定溫差的控制策略簡(jiǎn)化模型詳見(jiàn)圖1。

圖1 定溫差策略簡(jiǎn)化模型

1.2 定壓差控制策略

定壓差控制策略是指以系統(tǒng)某處的壓差值作為循環(huán)水泵變頻控制的反饋信號(hào)，通過(guò)控制循環(huán)水泵的運(yùn)轉(zhuǎn)頻率維持系統(tǒng)中該處的壓差為定值。根據(jù)選取維持壓差值為定值的位置不同可分為干管定壓差控制策略、最不利環(huán)路定壓差控制策略及中間環(huán)路定壓差控制策略。定壓差控制策略簡(jiǎn)化模型詳見(jiàn)圖2。其中，干管定壓差控制策略是通過(guò)控制水泵的運(yùn)行頻率來(lái)維持圖2 中2 點(diǎn)和2’點(diǎn)間的壓差值為定值。最不利環(huán)路定壓差控制策略是通過(guò)控制水泵的運(yùn)行頻率維持圖2 中3 點(diǎn)和3’點(diǎn)間的壓差值為定值。維持4 點(diǎn)和4’點(diǎn)之間的壓差值為定值的控制策略為中間環(huán)路定壓差控制策略。

圖2 定壓差控制策略簡(jiǎn)化模型

2 變流量系統(tǒng)水泵變頻控制策略對(duì)系統(tǒng)穩(wěn)定性影響

經(jīng)過(guò)設(shè)備的水流量與作用在末端的壓頭成正比，水流量與壓頭之間的關(guān)系詳見(jiàn)式（1）。

式中：ΔP 為設(shè)備管段的資用壓頭，Pa；S 為計(jì)算管段的阻力數(shù)，Pa/(m3/h)2；V 為經(jīng)過(guò)設(shè)備的水流量，m3/h。

水力穩(wěn)定性是指環(huán)路中各設(shè)備在其他環(huán)路設(shè)備流量改變時(shí)保持自身流量不變的能力。通常用設(shè)備的設(shè)計(jì)流量和工況變化后能達(dá)到的實(shí)際流量的比值來(lái)衡量系統(tǒng)的水力穩(wěn)定性，即：

式中：y 為水力穩(wěn)定性系數(shù)；Vg為設(shè)備的實(shí)際流量，m3/h；Vm為設(shè)備的設(shè)計(jì)流量，m3/h。

當(dāng)y＜1 時(shí)，設(shè)備的實(shí)際流量小于設(shè)計(jì)流量，設(shè)備處于欠流狀態(tài)。當(dāng)y＞1 時(shí)，設(shè)備的實(shí)際流量大于設(shè)計(jì)流量，設(shè)備處于過(guò)流狀態(tài)。當(dāng)y=1，實(shí)際流量與設(shè)計(jì)流量保持一致。

2.1 定溫差控制策略對(duì)水系統(tǒng)穩(wěn)定性影響

定溫差控制策略的水力工況曲線詳見(jiàn)圖3，其中實(shí)線表示設(shè)計(jì)工況，虛線表示部分負(fù)荷時(shí)的水力工況曲線。從圖3 中可看出，當(dāng)部分負(fù)荷時(shí)，各環(huán)路的資用壓頭變小，實(shí)際流量Vg變小，設(shè)備的實(shí)際流量小于設(shè)計(jì)流量，y＜1，設(shè)備處于欠流狀態(tài)。

圖3 定溫差控制策略水力工況曲線

2.2 干管定壓差控制策略對(duì)水系統(tǒng)穩(wěn)定性影響

干管定壓差控制策略的水力工況曲線詳見(jiàn)圖4，其中實(shí)線表示設(shè)計(jì)工況，虛線表示部分負(fù)荷時(shí)水力工況曲線。從圖4 中可看出，當(dāng)系統(tǒng)負(fù)荷降低時(shí)，系統(tǒng)的總流量減少，干管內(nèi)水的流速降低，干管的阻力損失減少。干管的資用壓頭ΔP0和ΔP2保持一致，最不利末端的資用壓頭ΔP′0小于ΔP′2。各環(huán)路的資用壓頭均變大，實(shí)際流量Vg變大，設(shè)備的實(shí)際流量大于設(shè)計(jì)流量，y＞1，設(shè)備處于過(guò)流狀態(tài)。

圖4 干管定壓差控制策略水力工況曲線

2.3 最不利環(huán)路定壓差控制策略對(duì)水系統(tǒng)穩(wěn)定性的影響

最不利管環(huán)路定壓差控制策略的水力工況曲線詳見(jiàn)圖5。圖中實(shí)線表示設(shè)計(jì)工況、虛線表示部分負(fù)荷時(shí)水力工況曲線。從圖5 中可看出，干管的資用壓頭ΔP0大于ΔP3，最不利末端的資用壓頭ΔP′0與ΔP′3保持一致。當(dāng)系統(tǒng)處于部分負(fù)荷時(shí)，最不利環(huán)路流量能滿足實(shí)際需求，其余各環(huán)路的資用壓頭均變小，實(shí)際流量Vg變小，設(shè)備的實(shí)際流量小于設(shè)計(jì)流量，y＜1，系統(tǒng)處于欠流狀態(tài)。

圖5 最不利環(huán)路定壓差控制水力工況曲線

2.4 中間環(huán)路定壓差控制策略對(duì)水系統(tǒng)穩(wěn)定性影響

中間環(huán)路定壓差控制策略的水力工況曲線詳見(jiàn)圖6。圖中實(shí)線表示設(shè)計(jì)工況，虛線表示部分負(fù)荷時(shí)水力工況曲線。從圖6 中可看出，當(dāng)系統(tǒng)處于部分負(fù)荷時(shí)，干管的資用壓頭ΔP0大于ΔP4，最不利末端的資用壓頭ΔP′0小于ΔP′4。定壓點(diǎn)前端的環(huán)路資用壓頭變小，實(shí)際流量Vg變小，設(shè)備的實(shí)際流量小于設(shè)計(jì)流量，y＜1，環(huán)路處于欠流狀態(tài)。定壓點(diǎn)后端的資用壓頭變大，實(shí)際流量Vg變大，設(shè)備的實(shí)際流量大于設(shè)計(jì)流量，y＞1，環(huán)路處于過(guò)流狀態(tài)。

圖6 中間位置定壓差控制水力工況曲線

3 不同控制策略對(duì)各環(huán)路控制閥門(mén)選擇的影響

為保證各環(huán)路的水力穩(wěn)定性，使各支路設(shè)備不出現(xiàn)欠流和過(guò)流，需在各環(huán)路上設(shè)置控制閥，控制各設(shè)備的流量滿足設(shè)計(jì)要求。在選擇各支路控制閥門(mén)時(shí)，需考慮不同控制策略下各支用支用壓頭的變化對(duì)控制閥閥權(quán)度的影響，閥門(mén)閥權(quán)度的定義詳見(jiàn)式（3）。

式中：S 為閥門(mén)的閥權(quán)度；ΔPmin為控制閥全開(kāi)時(shí)的壓力損失；ΔPmax為控制閥所在串聯(lián)環(huán)路的總壓力損失。

干管定壓差控制策略，各環(huán)路資用壓頭變大，即ΔPmax變大，ΔPmin不變，各環(huán)路上控制閥的實(shí)際閥權(quán)度變小。閥權(quán)度變小，控制閥的調(diào)節(jié)性能減弱。為保證閥門(mén)控制的精確性，干管定壓差控制策略，需采用閥權(quán)度大的控制閥門(mén)才能達(dá)到好的調(diào)節(jié)效果。

最不利環(huán)路定壓差控制策略，各環(huán)路的資用壓頭變小，即ΔPmax變小，ΔPmin不變，各環(huán)路上的控制閥的實(shí)際閥權(quán)度變大。最不利環(huán)路定壓差控制策略，采用閥權(quán)度較小的控制閥門(mén)，降低閥門(mén)阻力消耗循環(huán)水泵的能耗。

中間環(huán)路定壓差控制策略，定壓點(diǎn)前端環(huán)路的資用壓頭變小，即ΔPmax變小，定壓點(diǎn)前端各環(huán)路上的控制閥的實(shí)際閥權(quán)度變大。定壓點(diǎn)后端環(huán)路的資用壓頭變大，即ΔPmax變大，定壓點(diǎn)后端各環(huán)路上的控制閥的閥權(quán)度變小。中間環(huán)路定壓差控制策略時(shí)，定壓點(diǎn)前端環(huán)路，采用閥權(quán)度小的控制閥，降低閥門(mén)阻力消耗循環(huán)水泵能耗。定壓點(diǎn)后端環(huán)路，采用閥權(quán)度大的控制閥，防止了部分負(fù)荷時(shí)閥權(quán)度變小，降低閥門(mén)調(diào)節(jié)的精確性。

4 變流量系統(tǒng)水泵變頻控制策略的選擇

定溫差控制策略是一種被動(dòng)控制策略，從第2 節(jié)控制策略對(duì)系統(tǒng)水力穩(wěn)定性影響的分析中可看出，采用定溫差控制策略要求各環(huán)路的負(fù)荷按相同的規(guī)律同步變化（負(fù)荷成相同比例增加或減少），若變化規(guī)律不同會(huì)出現(xiàn)管網(wǎng)水力失衡，且負(fù)荷變化引起的溫度變化有明顯的滯后性，延遲時(shí)間較長(zhǎng)。當(dāng)末端負(fù)荷發(fā)生變化時(shí)，系統(tǒng)的水溫至少要經(jīng)過(guò)一個(gè)循環(huán)周期才能反饋到傳感器中，不能精確的根據(jù)系統(tǒng)的需求控制水泵的運(yùn)行頻率，可能造成系統(tǒng)較大的波動(dòng)性和較差的可靠性。因此，當(dāng)系統(tǒng)各環(huán)路的負(fù)荷變化規(guī)律相同，且對(duì)負(fù)擔(dān)區(qū)域的溫度變化要求不嚴(yán)格時(shí)，可采用定溫差控制策略。

定壓差控制策略相比定溫差控制策略，能對(duì)系統(tǒng)的實(shí)際需求及時(shí)反饋，不會(huì)出現(xiàn)時(shí)間的滯后性。為保證系統(tǒng)的可靠性及精確性，變流量系統(tǒng)建議采用定壓差控制策略。

5 變流量系統(tǒng)不同控制策略的能耗分析

不同策略下水泵的運(yùn)行狀態(tài)點(diǎn)詳見(jiàn)圖7，其中0點(diǎn)為設(shè)計(jì)工況下的水泵的運(yùn)行狀態(tài)點(diǎn)，1 點(diǎn)為采用定溫差控制策略時(shí)的水泵運(yùn)行狀態(tài)點(diǎn)，2 點(diǎn)為采用干管定壓差控制策略的水泵運(yùn)行狀態(tài)點(diǎn)，3 點(diǎn)為采用最不利環(huán)路定壓差控制策略的水泵運(yùn)行狀態(tài)點(diǎn)，4 點(diǎn)為采用中間環(huán)路定壓差控制策略水泵運(yùn)行狀態(tài)點(diǎn)。

圖7 不同控制策略下的水泵運(yùn)行狀態(tài)點(diǎn)

水泵的能耗和水泵的揚(yáng)程和流量成正比，從圖7中可看出，采用定溫差控制策略時(shí)，水泵的能耗最低。因采用定溫差控制策略，沒(méi)有改變系統(tǒng)的管路特性，使水系統(tǒng)始終維持在相似變換的狀態(tài)下，當(dāng)水泵頻率發(fā)生改變時(shí)，水泵的輸送能耗同頻率的三次方成正比，因而能夠最大限度的節(jié)省系統(tǒng)的能耗。定壓差控制策略中，干管定壓差控制策略的能耗最高，中間環(huán)路定壓差控制策略的能耗次之，最不利環(huán)路定壓差控制策略的能耗最小。

6 結(jié)論

1）采用定溫差控制策略和最不利環(huán)路定壓差控制策略，系統(tǒng)各環(huán)路設(shè)備處于欠流狀態(tài)。采用干管定壓差控制策略，系統(tǒng)各環(huán)路設(shè)備處于過(guò)流狀態(tài)。采用中間環(huán)路定壓差控制策略，定壓點(diǎn)前端環(huán)路設(shè)備處于欠流狀態(tài)，定壓點(diǎn)后端環(huán)路處于過(guò)流狀態(tài)。

2）干管定壓差控制策略，各環(huán)路需選擇閥權(quán)度較大的控制閥門(mén)。最不利環(huán)路定壓差控制策略，各環(huán)路需選擇閥權(quán)度較小的控制閥門(mén)。中間定壓差控制策略，定壓點(diǎn)前端環(huán)路選用閥權(quán)度較小的控制閥門(mén)，定壓點(diǎn)后端環(huán)路選用閥權(quán)度較大的控制閥門(mén)。

3）各控制策略中，定溫差控制策略的能耗最小，最不利環(huán)路控制策略的能耗次之，干管定壓差控制策略的能耗最大。

4）當(dāng)系統(tǒng)負(fù)荷變化規(guī)律一致，且對(duì)控制精確度不高的變流量系統(tǒng)，建議選擇定溫差控制策略。對(duì)控制精確度及可靠性要求高的變流量系統(tǒng)，則建議采用定壓差控制策略，其中優(yōu)先選擇最不利環(huán)路定壓差控制策略。